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微细通道内流动与换热可视化实验研究与分析

刘志刚  
【摘要】:微尺度下的传热与传质是一个复杂、又有着巨大和广泛应用价值的问题。虽然许多研究者作了大量的努力,发表了非常多的文章,但是对其机理的认识仍然极不充分,而且发表在好多国际期刊上的论文的结论大相径庭,甚至相互矛盾。但由于其在微机系统、微生物、微电子、航空航天、材料处理及制造业上的巨大应用前景,各国越来越多的研究者对微尺度的研究给予高度重视。有鉴于此,本文以揭示微管内的流动与传热的机理为目的,对微管内的单相流动与传热进行了理论分析、数值计算与实验研究。 本文首先对液体在微管内部流动引起的粘性耗散问题进行了数值计算和实验验证。以蒸馏水为工质,使其流过内径为25μm及50μm微光滑石英管,采用非接触式温度测量方法—红外成像来测量液体粘性耗散导致的微管壁面的温度场变化,获得精确的微管外壁温度分布。同时利用SIMPLEC计算方法对内部流动耗散进行了数值模拟,得到了微管内部流动的雷诺数和流体温升的关系。实验结果与数值模拟结果相吻合。 其次,分别以水、乙醇及四氯化碳作为工质,使其流过内径分别为168μm、399μm、799μm的不锈钢管和内径分别为242μm、315μm、520μm的石英玻璃管,通过测量压降与流量,来获得摩擦系数f与雷诺数Re的关系。实验结果表明,当Re数小于1200~1800时,除内径为168μm的不锈钢管外,其他微管内的f的值与经典层流理论值几乎一致,而对于内径为168μm、相对粗糙度为8%~10%的不锈钢管,当Re数超过800时,f的值比经典理论值高20%以上。另外,以蒸馏水作为工质,龙胆紫溶液作为着色剂,对内径为242μm、315μm和520μm的石英玻璃管内部流动做可视化实验研究来探究微管内部的流态。通过光学显微镜放大后由CCD相机拍摄,得到了在不同Re数下,石英玻璃管内的流型图。实验结果表明,微管内部流态为层流时,f的值与常规尺寸下的经典理论解基本一致。对内径为242μm、315μm和520μm石英管,当Re数分别达到1100、1200和1500左右时,微管内的流态已经开始由层流向紊流转变。 最后,为了准确测量微管外表面温度场的分布,并了解沿微管轴向导热对微管内部对流换热的影响,采用红外成像仪加专用红外放大镜头测量了微型钢管外壁面的温度场,得到了在Re数不变时,不同加热功率下,内径分别为168μm、399μm、799μm和相应外径为406μm、798μm、1201μm微型钢管外表面温度场的分布图。通过实验,建立了一种温度修正模型,进而能得到了较为


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